淺談同位素在土壤水分析中的應(yīng)用

常 娜

（山東恒源勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 濰坊 261000）

1.土壤水同位素理論

同位素在水文循環(huán)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，其中氫和氧的同位素分子應(yīng)用最普遍并且最具有代表性。氫、氧同位素參與了整個(gè)水循環(huán)，在水循環(huán)中會(huì)因各種外界影響而發(fā)生分餾，從而富集或貧化，研究不同水中的同位素的組成可以了解水的轉(zhuǎn)化過程。土壤水在水循環(huán)中具有“承上啟下”的作用，土壤水的研究對(duì)于分析整個(gè)大循環(huán)具有重要的意義。

包氣帶中的土壤水在水文大循環(huán)中起著很重要的作用。大氣降水通過非飽和帶下滲形成壤中流，大氣降水是土壤水的直接補(bǔ)給源，且土壤水在地面以下不深處，土壤水的同位素主要由大氣降水中同位素和蒸發(fā)因素決定。土壤水中同位素值隨著大氣降水中同位素值的變化及溫度變化而發(fā)生貧化或富集。研究土壤水中同位素規(guī)律，還可以了解水分的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)于研究水文循環(huán)具有重要意義。

2.同位素在土壤水中的應(yīng)用發(fā)展歷程

在土壤水的研究中采用同位素方法是從60年代開始的，直到20世紀(jì)80年代土壤水同位素研究才奠定了基礎(chǔ)。在國(guó)外，同位素應(yīng)用于土壤水的研究較多。Mathieu 和Bariac在1996年利用同位素方法對(duì)土壤水和淺層地下水的轉(zhuǎn)化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了土壤水與淺層地下水直接不存在補(bǔ)給關(guān)系。Zimmermann等人在1967年、Brodersen等人在2000年、Tang等在2001年、Gazis等在2004年也分別研究了土壤水中同位素的變化，分析了其與其他水的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

在國(guó)內(nèi)對(duì)降水入滲、土壤水中穩(wěn)定同位素的研究還很少。田立德在2002年利用同位素原理分析了青藏高原土壤水的補(bǔ)給來源。徐慶等在2007年利用同位素法分析了四川地區(qū)土壤水的運(yùn)移規(guī)律。許士國(guó)等在2006年通過建立模型研究了土壤水的補(bǔ)給規(guī)律。2010年，王永森等結(jié)合Fick定律和質(zhì)量守恒定律建立了模型分析了土壤水中同位素的運(yùn)移規(guī)律。劉君等在2012年也對(duì)土壤水進(jìn)行了研究，分析了補(bǔ)給原理。國(guó)內(nèi)對(duì)土壤水的研究才剛剛起步，還處在實(shí)驗(yàn)分析和理論階段，還需要借助國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)展對(duì)其研究。

3.五道溝實(shí)驗(yàn)流域土壤水分析

五道溝實(shí)驗(yàn)流域在安徽省蚌埠市境內(nèi)，地處淮北平原南部，是我國(guó)建立最早且是我國(guó)為數(shù)不多的大型水文實(shí)驗(yàn)站，且是我國(guó)唯一一個(gè)具有60年以上觀測(cè)和定位的綜合性實(shí)驗(yàn)站。實(shí)驗(yàn)流域內(nèi)設(shè)置了多種觀測(cè)設(shè)施及分析實(shí)驗(yàn)室，數(shù)據(jù)觀測(cè)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理得當(dāng)。以五道溝實(shí)驗(yàn)流域?yàn)槔?，分析其土壤水中同位素的影響因素?/p>

圖2 亞黏土無作物情況

圖3 亞黏土有作物情況

圖1中土壤水的δ18O、δD關(guān)系線可以看出，亞砂土的斜率和截距比亞粘土小，且都比當(dāng)?shù)卮髿饨邓€偏小，是由于蒸發(fā)作用而產(chǎn)生了分餾，造成了同位素的富集。土壤水的同位素?cái)?shù)據(jù)在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，意味著大氣降水是土壤水的補(bǔ)給來源之一。6~7月份的數(shù)據(jù)離大氣降水線較近，8~9月份的離大氣降水線較遠(yuǎn)，意味著前者氘同位素富集明顯，后者氧同位素富集明顯，是由于8~9月份降雨量減少，干燥，蒸發(fā)左右強(qiáng)烈導(dǎo)致的，6~7月水汽來源較8~9月潮濕，水汽來源不同。

圖1 土壤水中δ18O、δD關(guān)系圖

亞黏土無作物情況下，0.4m深度是個(gè)分界點(diǎn)，0.4m以上蒸發(fā)與水面蒸發(fā)基本一致，0.4m以下，基本沒有蒸發(fā)。有作物情況下，0.8m以上各深度蒸發(fā)趨勢(shì)基本一致，在5~7月份，蒸發(fā)出現(xiàn)較大變化。亞黏土有、無作物的對(duì)比可以看出，相同深度，無作物的情況下的蒸發(fā)量較有作物大，蒸發(fā)大會(huì)造成同位素富集明顯。

4.總結(jié)

闡述土壤水同位素理論以及研究其的意義，分析了國(guó)內(nèi)外土壤水同位素的發(fā)展歷程，以五道溝實(shí)驗(yàn)流域?yàn)槔?，分析了不同土壤下同位素的變化，以及不同深度下，蒸發(fā)對(duì)其影響，最終得出，土壤水中同位素值與土壤的質(zhì)地、有無作物、土壤水的深度、溫度、大氣降水等均有關(guān)。